無人全自動行車在鋼鐵企業的應用

摘要：介紹了無人全自動行車系統構成，包括車上局系統和地上局系統，闡述了無人全自動行車的功能、流程，使鋼鐵企業的庫區物流自動化得以快速發展。

關鍵詞：無人全自動行車;系統構成;功能流程;物流信息化

0 引言

我國科學技術的不斷發展為無人全自動行車在鋼鐵企業的應用提供了技術保障。無人全自動行車系統在CLTS行車基礎上，增加了三維成像、防搖、安全保護等硬件設備，增加了行車自動控制、庫區自動管理等相關軟件，實現了庫區及行車的全自動無人作業與管理，這不僅減小了工人的勞動強度，提高了勞動效率，而且降低了人員安全作業風險，提高了倉庫空間利用率，實現了物流信息化。

1 無人全自動行車系統構成

無人全自動行車系統主要由UACS（庫區管理）系統、行車電控PLC系統、防搖控制器系統、SRS框架車掃描系統、定位系統、安全管理系統、鋼卷十字滑臺掃描系統、無線系統、急停系統等組成。無人全自動行車在接收到UACS系統下發的指令后，行車電控PLC系統根據指令要求到達目的位置并抓取鋼卷，按照指令要求放置到指定位置，行車防搖控制器系統主要用于穩定行車吊運、給定行車速度等。無人全自動行車具備自動、遠程遙控、司機室駕駛3種運行模式，運行模式在地面的PC機上和行車上進行切換。

1.1? ? 無人全自動行車車上局系統

無人全自動行車車上局部分由行車本體PLC、變頻器、工控機、各類傳感器以及通信網絡等組成。無人全自動行車車上局架構如圖1所示。工控機通過ThernetIP通信接口采集行車的縱行（X軸）和橫行（Y軸），通過以太網與地面控制系統、夾鉗控制系統、防搖傳感器、顯示屏和鞍座占位掃描儀等設備通信。系統配置主要包括主控箱、夾鉗控制傳感器、車載終端、X軸（大車）激光位置檢測傳感器、Y軸（小車）激光位置檢測傳感器、Z軸位置傳感器、防搖檢測傳感器等部分。X軸、Y軸、Z軸從行車的大車、小車和主鉤3個維度方向，將每個物料信息與庫區存放位置三維坐標一一對應。

（1）主控箱：行車自動控制的中樞，采集激光測距傳感器、行車電控、夾鉗傳感器等各類數據，并接收地面UACS系統發送的行車作業指令，控制行車實現自動控制。（2）駕駛室觸摸屏：顯示X軸、Y軸、Z軸位置，接收并顯示服務器發送的作業命令，指導行車操作員進行吊運作業，并對作業實績進行處理與返回。（3）防搖檢測傳感器：檢測夾鉗的擺動角度提供給行車控制系統，實現行車運動過程中的防搖控制。（4）鞍座占位檢測掃描儀：為保證行車在吊運過程中，由于信息流出錯或者其他原因導致的鞍座信息與UACS系統信息不匹配，避免發生砸卷情況，在小車上安裝兩套激光掃描設備，用于檢測夾鉗下落位置是否有異物存在，若有異物，則UACS系統將發出警報并停止工作。（5）狀態顯示屏：用于顯示自動、人工、遙控、檢修等行車狀態信息。（6）行車電控PLC、傳動系統、常規傳感器：實現行車基本的人工控制。（7）遙控器：在需要人工干預的時候，地面作業人員無需上車即可進行人工遙控控制。

1.2? ? 無人全自動行車地上局系統

無人全自動行車地上局系統包括：（1）無線網絡，將行車作業指令與物料信息無線傳輸給UACS車上局系統以及提供手持機的網絡通道，引導行車自動作業。（2）地面格雷母線發振單元，用于行車大、小車的位置檢測。（3）庫區安全管理及警示系統，實現封閉區域的安全管理、機組出入口吊運/車輛通道/車位/人行通道的安全警示、設備連鎖與鋼卷占位信息獲取。為了保證庫區的安全生產，在庫區配置安全管理與警示PLC系統，采用Siemens S7-300系列CPU，在庫區現場根據現場情況配置S7-300子站（子站之間如果超過150 m，采用光纖連接）。在庫區配置ASI網關，庫區的安全門鎖、按鈕、指示燈等傳感器均采用ASI接口，連接至就近的ASI網關（每個ASI網關連接的ASI線纜最大長度為200 m）。主要具備如下功能：封閉區域的安全管理、機組出入口吊運的安全警示、設備連鎖與鋼卷占位信息獲取、車輛通道安全警示、車位吊運安全警示、人行通道安全警示。（4）其他部分，包括安全門、手持機、終端、UACS車輛離位檢測系統（框架車）、UACS入庫卷自動掃描系統、UACS緊停系統、FDAA數據采集系統等。無人全自動行車地上局部分網絡圖如圖2所示。（5）地面管理系統應用軟件功能，包括作業計劃管理、路徑規劃及禁駛區域避讓、行車作業跟蹤管理、作業實績管理、作業模式管理、庫區信息的管理和配置、庫位推薦、待出庫鋼卷的管理等。（6）形狀識別系統應用軟件功能包括車輛入位、檢測車輛位置及落卷位置、檢測物料的形狀及物理坐標等，手持機應用軟件功能包括入庫物料信息確認、出庫物料核準、盤庫操作等，安全管理與警示系統應用軟件功能包括封閉區域管理、設備連鎖管理、現場安全警示等。

2 無人全自動行車功能、流程介紹

2.1? ? 準備功能

無人行車在自動運行過程中，通過電文通信的形式和WMS進行數據交換，通信為1 s發送數據一次，與防搖的數據交換時間為20 ms。行車自動運行的動作可分為兩大部分，即取卷和放卷過程。

首先，當行車從遙控狀態切到自動狀態后，此時自動過程運行還沒有開始，如果行車自動準備好，行車會向WMS發出請求計劃指令。WMS根據當前生產情況判斷是否生成吊運指令，如果沒有吊運指令，則會發出回停車位的指令坐標，行車會按照指令回停車位。

當有吊運信息時，WMS會生成吊運指令，同時將吊運鋼卷的X和Y坐標、旋轉角度等信息發送給行車電控PLC，并發送計劃執行指令（AUTO_CMS_IN_Control_word.C1）。

電控PLC進行數據解析，取出吊運鋼卷的大小車運行目標位置，同時將此坐標傳給防搖設備，此目標位置的坐標為鎖存信號，只有當電控PLC接收到的目標位坐標發生變化之后才會隨之變化，其他時候不變。電控PLC讀取的位置坐標實時傳輸給防搖設備和WMS，用于進行位置判斷。

電控PLC程序接收到（AUTO_CMS_IN_Control_word.C1）這個指令后，將自動過程開始運行（AUTO_Process_Run）置1，并鎖存。此時自動過程開始。

2.2? ? 無人行車流程介紹

首先進行取卷過程，電控PLC根據取卷目標位和當前行車位置進行判斷，當出現差值（>30 mm）后，會向防搖設備發送運行允許指令。防搖設備接到此指令后，鎖存電控傳輸的大小車目標位的坐標，并根據當前位置進行判斷和計算，生成控制行車運行的大小車的運行方向和運行速度等數據，傳輸給電控PLC。電控PLC將防搖設備給出的方向信號和速度信號傳給大小車的變頻器，進而控制行車運行，向目標位置走行。

當到達目標位置±30 mm內時，防搖設備判斷到位，取消運行指令、方向指令和速度給定。如果此時電控PLC檢測到沒有到位，則會繼續向防搖PLC發送運行指令，如果判斷到位，則向WMS發送請求下一計劃指令，此時自動過程運行指令復位。

WMS接到請求計劃指令后，發送取卷（AUTO_Hoist_ObjPos_Z_To）坐標，行車根據所收到的Z坐標，控制起升變頻器下降，并根據起升高度絕對值編碼器的高度位置反饋值進行位置控制。當高度下降到AUTO_Hoist_ObjPos_Z_To+450 mm時，進行對中檢測，找卷心。找卷心過程是通過電磁鐵上的開關量限位（根據電磁吊具上的4個對中限位來進行判斷），根據限位的遮擋情況，控制大車、小車進行微調，直到對中限位都出現，開始繼續下降。電磁鐵繼續下降到AUTO_Hoist_ObjPos_Z_To-150 mm后停止，當接收到就位指令后，開始勵磁。收到勵磁完畢指令后，起升電機上升，指導防搖位，電控PLC向WMS發送請求下一計劃指令，等待落卷過程。

WMS接收到請求指令后，向電控發送包含落卷位置信息的電文數據，電控PLC進行數據解析，進行上述動作。大小車到位后，防搖取消運行指令，電控發送請求下一計劃給WMS。

WMS接到請求后，發送落關坐標（AUTO_Hoist_ObjPos_Z_To），電控PLC根據此坐標值控制起升電機下降，直到AUTO_Hoist_ObjPos_Z_To-150 mm處停止，同時落關到位（LIFTER_I_NoLoad）置1，此時電磁鐵去磁。當收到去磁完成信號后，起升電機開始上升，直到防搖位，之后向WMS發送請求下一計劃指令。

3 結語

目前無人全自動行車已在越來越多的企業工業成品庫區得到應用，不僅提高了作業效率和作業質量，解放了大量人力勞動，還改善了工作環境，提高了庫區利用率，延長了設備使用壽命，使起重作業更簡單、快捷、安全、高效。隨著無人全自動行車技術的不斷完善和成熟，鋼鐵企業的庫區物流自動化得以快速發展。

[參考文獻]

[1] 上海寶信軟件股份有限公司.寶信軟件全自動無人行車技術方案[Z].

[2] 彭瑜，王健，劉亞威.智慧工廠：中國制造業探索實踐[M].北京：機械工業出版社，2016.

收稿日期：2020-06-04

作者簡介：陸遠程（1983—），男，河南人，工程師，研究方向：電氣工程與自動化。